基于梯形積分PI控制的LED反激式開關(guān)電源的研究

孫大洋，章國寶

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

紋波電流是LED恒流驅(qū)動電源的一個重要指標(biāo)，它影響LED的壽命、光效、功率損耗、散熱等許多參數(shù)。高紋波電流可能造成LED過早光衰；使LED產(chǎn)生較大的阻性功耗，降低電源的工作效率；降低LED使用壽命。光效在直流驅(qū)動LED時可以達(dá)到最高，紋波電流會造成光效的降低，紋波電流越高，光效越低。

合理設(shè)計驅(qū)動電源，降低電流紋波系數(shù)，即可以節(jié)約成本，又可以節(jié)省能源，意義重大。市場上流行的LED驅(qū)動電源方案一般采用純硬件電路實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制（PWM），達(dá)到恒流效果，但是產(chǎn)生的恒流紋波系數(shù)大，較好的產(chǎn)品的紋波系數(shù)也在5%左右。

軟硬件結(jié)合的方式將帶來LED應(yīng)用技術(shù)的飛躍。軟件控制LED恒流值，可大幅度提升LED電流精度。軟件的使用也將促進(jìn)LED的智能控制的發(fā)展。筆者設(shè)計了一個30 W，1 A的LED反激式高頻開關(guān)電源，引入梯形積分PI控制來減小電流紋波系數(shù)，并對普通PI控制和梯形積分PI控制做了仿真比較。

1 梯形積分PI控制產(chǎn)生PWM波原理

PWM波產(chǎn)生原理如圖1所示。電流設(shè)定值與電源的電流輸出值進(jìn)行比較，經(jīng)過PI計算之后，輸出電流控制量，由電流控制量計算出PWM波占空比，然后生成PWM波去控制開關(guān)管的通斷，產(chǎn)生需要的電流。

圖1 產(chǎn)生PWM波原理框圖Fig.1 Block diagram of PWM

1.1 梯形積分PID控制算法

PID控制雖然是最簡單的控制算法，卻能達(dá)到很好的控制效果。因?yàn)橄到y(tǒng)對快速性沒有特殊要求，所以采用PI調(diào)節(jié)。模擬PI積分的公式為：

要利用單片機(jī)或者其他數(shù)字信號處理器進(jìn)行運(yùn)算，需要把公式離散化。在PI控制中積分項的作用是消除余差。普通PI控制是矩形積分，設(shè)T為采樣周期，i為采樣序列號，i=0，1……k，即

為了提高積分項的運(yùn)算精度，將矩形積分改成梯形積分。則有：

按公式（4）進(jìn)行計算，方便數(shù)字信號處理器編程，提高了積分精度。

1.2 PWM波占空比算法

變壓器原邊線圈兩端產(chǎn)生的電動勢為

變壓器副邊線圈兩端產(chǎn)生的電動勢為

因?yàn)?ipmax=ismax，Lp/Ls=n2所以 es=epD/n2（1-D） （7）

因?yàn)殡娏鞑蓸又芷赥很小，所以可以認(rèn)為ep1=ep2

2 反激式高頻開關(guān)電源

反激式高頻開關(guān)電源[1]屬于隔離型高頻開關(guān)電源，用變壓器實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離，更為安全。電路簡單，效率高，非常適用于小功率電源。

2.1 反激式變壓器原理

反激式變壓器原理如圖2所示。

圖2 反激式變壓器Fig.2 Flyback transformer

當(dāng)開關(guān)S閉合時，輸入電壓施加到變壓器原邊繞組上，副邊繞組的感應(yīng)電壓方向相反，二極管反向偏置，不導(dǎo)通，能量儲存在原邊繞組中，同時，電容中儲存的能量釋放給負(fù)載，例如LED。當(dāng)開關(guān)S斷開時，兩邊繞組的電壓都反向，二極管導(dǎo)通，能量以磁通形式傳遞到副邊，儲存在電容中。

2.2 反激式開關(guān)電源電路組成

反激式開關(guān)電源由EMI（電磁干擾）濾波電路、整流電路、功率因數(shù)校正 （PFC）電路、反激式變壓器、功率開關(guān)管MOSFET、PI控制電路組成，框圖如圖3所示。

圖3 反激式開關(guān)電源框圖Fig.3 Block diagram of flyback switching power supply

功率器件的高頻率、高d u/d t和高d i/d t是開關(guān)電源的主要的電磁干擾源。加入EMI濾波器[2]，既可以抑制交流電網(wǎng)中的傳導(dǎo)性電磁干擾進(jìn)入電源，也可以抑制電源的傳導(dǎo)性電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)，污染電網(wǎng)。

功率因數(shù)是有效功率與總耗電量的比值，反映了電力被有效利用的程度。傳統(tǒng)的整流加電容濾波電路，功率因數(shù)很低，諧波電流大，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，加重電力公司的負(fù)擔(dān)。很多國家已經(jīng)將PFC規(guī)定為電力電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配備，包括我國。功率因數(shù)校正分為主動式（有源式）和被動式（無源式）[3]。主動式通過專用IC對電流電壓的相位進(jìn)行補(bǔ)償，可使功率因數(shù)接近100%，但電路復(fù)雜。被動式使用由電容等組成的電路，來減小基波電流和電壓之間的相位差，增加有功功率在功率中的比重，結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，適用于小功率電源。

反激式開關(guān)電源的變壓器[4]設(shè)計是個重點(diǎn)和難點(diǎn)。脈寬調(diào)制（PWM）信號控制MOSFET的通斷。在MOSFET關(guān)斷瞬間，變壓器的漏感會與MOSFET的寄生電容形成串聯(lián)諧振電路，在漏極產(chǎn)生電壓尖峰。為了防止MOSFET被擊穿，要盡量減小變壓器原邊漏感，或者增加箝位電路[5]，用來消耗MOSFET關(guān)斷瞬間漏感的能量。

3 MATLAB/simulink仿真模型及結(jié)果分析

對LED反激式開關(guān)電源所建立的仿真模型如圖4所示。電流為1 A時，最大占空比是0.5。PWM波頻率是50 kHz。在EMI濾波電路前面加一個阻值很小的電阻，是因?yàn)樵贛ATLAB/Simulink[6]中電源不能直接連接電容。在MATLAB/Simulink的SimPowerSystems庫中，單相變壓器有3種，選擇多繞組變壓器，將其設(shè)置為原、副邊各一個繞組，其中參數(shù)Lm是勵磁電感，參數(shù)Rm是磁路磁阻。PID環(huán)節(jié)封裝成子系統(tǒng)，即圖中的Subsystem1。LED是發(fā)光二極管，其伏安特性與二極管很相似，所以用二極管代替LED。

仿真參數(shù)設(shè)置：Start time 是 0，Stop time 是 1，Solver options為 Fixed-step 和 ode3 （Bogacki Shampine），步長是 1e-6，其他參數(shù)為默認(rèn)值。

普通PI控制仿真波形如圖5、圖6。梯形積分PI控制仿真波形如圖 7、圖8。

圖5 普通PI控制LED電流仿真波形Fig.5 Current waveform of LED based on Common PI control

圖6 普通PI控制紋波電流Fig.6 Ripple current waveform of LED based on Common PI control

圖7 梯形積分LED電流仿真波形Fig.7 Current waveform of LED based on trapezoidal integration

從仿真模型可以看出，反激式開關(guān)電源電路簡單，有利于降低驅(qū)動電源成本。從仿真波形可以看出，電流上升時間快，沒有超調(diào)。梯形積分PI控制比普通PI控制的電流上升稍慢一些，但紋波電流更小，紋波系數(shù)為1.5%，能更好滿足LED對驅(qū)動電流的紋波的要求，即不增加電源成本的基礎(chǔ)上，紋波電流越小越好。結(jié)果較為滿意。

圖8 梯形積分紋波電流Fig.8 Ripple current waveform of LED based on trapezoidal integration

4 結(jié)束語

本文在高頻反激式開關(guān)電源脈沖寬度調(diào)制（PWM）原理的基礎(chǔ)上，引入梯形積分PI控制算法，通過修正PI控制器參數(shù)kp和ki，使輸出電流動態(tài)性能好，上升時間快，無超調(diào)，實(shí)現(xiàn)更高的電流控制精度。利用單片機(jī)可以很容易的編程實(shí)現(xiàn)PI控制，成本低，效果好。另外，單片機(jī)的使用還可以為LED驅(qū)動電源另外增加很多功能，比如根據(jù)外部光線調(diào)節(jié)輸出電流，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED的發(fā)光強(qiáng)度，這樣即可以延長LED壽命，又可以節(jié)省能源，有利于實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動電源的智能化控制。

[1]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源使用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[2]魏應(yīng)東，吳燮華.開關(guān)電源EMI濾波器原理與設(shè)計研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8（2）:36-40.WEI Ying-dong，WU Xie-hua.Study on principle and design for EMI filters of switching power supply[J].Power Supply Technologies and Applications，2005，8（2）:36-40.

[3]鄭艷麗，秦會斌.無源PFC電路在LED驅(qū)動電路中的應(yīng)用研究[J].機(jī)電工程，2011，28（6）:753-756.ZHENGYan-li，QINHui-bin.Research of passive PFC circuits in LED driver circuit[J].Journal of Mechanical&Electrical Engineering， 2011，28（6）:753-756.

[4]王明炎.單端反激式開關(guān)電源高頻變壓器設(shè)計[J].中國科技信息，2010（4）：124-128.WANG Ming-yan.Design of high-frequency transformer in single-ended flyback switching power supply[J].China Science and Technology Information， 2010（4）：124-128.

[5]劉國偉，董紀(jì)清.反激變換器中RCD箝位電路的研究[J].電工電氣，2011（1）：20-33.LIU Guo-wei，DONG Ji-qing.Study of RCD clamp circuit in flyback converter[J].Electrotechnics Electric，2011（1）：20-33.

[6]林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京:中國電力出版社，2008.